EP1434976A1 - KAMERAKOPF ZUR SCHNELLEN AUFZEICHNUNG VON SPEKTREN EINES UV−SPEKTROMETERS - Google Patents

KAMERAKOPF ZUR SCHNELLEN AUFZEICHNUNG VON SPEKTREN EINES UV−SPEKTROMETERS

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EP1434976A1
EP1434976A1 EP02772361A EP02772361A EP1434976A1 EP 1434976 A1 EP1434976 A1 EP 1434976A1 EP 02772361 A EP02772361 A EP 02772361A EP 02772361 A EP02772361 A EP 02772361A EP 1434976 A1 EP1434976 A1 EP 1434976A1
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EP
European Patent Office
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spectrometer
camera head
integrator
time
charge
Prior art date
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EP02772361A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1434976B1 (de
Inventor
Wolfgang Biel
Alfred Scholl
Norbert Sandri
Gerd Telemann
Dietmar Brinkmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/58—Photometry, e.g. photographic exposure meter using luminescence generated by light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2889—Rapid scan spectrometers; Time resolved spectrometry

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the transport time of impurity particles in a plasma, comprising a spectrometer and a line camera.
  • Spectrometer has an input slit.
  • the spectral lines emitted by the impurity particles fall through the entrance slit.
  • the spectral lines then fall on a diffraction grating.
  • the spectral lines are reflected at different angles.
  • the disassembled light signals emerging from the spectrometer are recorded by a position-resolving line camera.
  • the transport time is calculated from the measurement information thus obtained.
  • the spectrometer is in a vacuum atmosphere during operation.
  • these ionized impurity particles - here called impurity ions - are excited by electron impact to emit characteristic spectral lines.
  • the spectral lines of higher ionization levels occur with a time delay compared to the low ionization levels.
  • This time delay between the occurrence of two spectral lines of different ionization levels Zi and Z 2 is a direct measure of the transport time that the impurity particles need for the radial transport between those radial positions ri and r 2 at which the emissivities of the spectral lines under consideration are located.
  • the accuracy of the described method depends on the fact that as many different spectral lines of different ionization levels as possible can be observed simultaneously with a good signal / noise ratio and sufficient time resolution.
  • a broad wavelength range in the VUV (10-100 nm) should be able to be processed by the spectrometer.
  • the spectrometer should be able to measure with a high time resolution, in particular at least 1000 complete spectra per second.
  • the efficiency of the spectrometer should be high, since the signal / noise ratio also depends on the photon statistics.
  • the spectrometer should have sufficient wavelength resolution (line separation).
  • the spectrometer should have a large dynamic range, since the intensities of the different spectral lines are very different.
  • the spectrometer concept “SPRED” (Survey Poor Resolution Extended Domain) was found as the closest prior art, which is currently best able to meet the requirements mentioned, and is described in the work of Fonck et al., Appl. Optics Vol (1982) and Stratton et al., Reviews of Scientific Instruments Vol. 57, page 2043ff (1986).
  • the spectrometer concept can be briefly summarized as follows: The heart of the spectrometer is a diffraction grating from Jobin-Yvon with the following properties:
  • Toroidal lattice substrate for reducing the geometric light losses through astigmatism. This increases efficiency.
  • the grating lines are produced by open etching or holographically. This achieves high efficiency in the first diffraction order with extensive suppression of the higher diffraction orders. Furthermore, the imaging errors are reduced and a sharp spectrum is achieved in a plane with a width of 40 mm.
  • the grating surface is coated with gold to increase the efficiency in the wavelength range below 30 nm.
  • the two arm lengths of the spectrometer (this is the distance between the entrance slit grating and grating detector) are each chosen to be about 30 cm so that an instrument with a large wavelength range with sufficient wavelength resolution and a large one can be used for the grating sizes and line densities that can be produced Opening (f / 30) and thus high efficiency results.
  • the diffraction grating produces images of the entrance slit on an imaging scale of approximately 1: 1.
  • an open MCP detector (“multi-channel plate”) is used in the output plane of the spectrometer.
  • the entire spectrometer is operated in a vacuum, since the radiation is in the wavelength range 10-100 nm is absorbed by all gases and all materials The operation of the open MCP detectors also requires a pressure below 10 ⁇ 6 mbar, so that a UHV setup is necessary for the spectrometer (UHV: ultra high vacuum).
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset with which the transport of contaminants in a plasma can be measured more precisely than hitherto.
  • the device according to the invention comprises a spectrometer, means for spatially resolving conversion of light emerging from the spectrometer into charge, an integrator circuit for spatially resolving integration of the charge, and means for displaying the position-dependent integrated charge.
  • the integrator circuit is made up of discrete components.
  • the inventor has recognized that in order to achieve the object, the integrator circuit in comparison to the prior Tech ⁇ technology must be amended.
  • the inventor recognized that the previous path, namely integrated circuits, close, must be left and - the task can only be solved by building the integrator circuit from discrete components. Discrete components that are suitable for implementation result from the exemplary embodiment.
  • a large dynamic range with high time resolution leads (because of the predefined values for noise level and "full-well-capacity" of the camera head to be connected) to high overall intensities of the amplified spectra on the output side, for which, for example, an open MCP detector must then be designed accordingly.
  • MCP a single-stage standard MCP (a length / diameter ratio of the individual channels of 40: 1)
  • EDR-MCP Extended dynamic ranks
  • the length / diameter ratio of the individual channels is set in such a way that the overall gain is significantly greater than the inadequate gain mentioned.
  • the MCP surface is preferably coated with CsJ.
  • a special, very fast phosphor (type P46) is selected, the persistence / decay time (some 10 ⁇ s) of which is significantly below the desired time resolution of the overall system and which additionally has a high light output in the wavelength range in which the downstream camera head has its highest efficiency (approx. 500-700 nm).
  • a high overall MCP gain of up to 10 5 can be achieved with high efficiency, high time resolution and acceptable spatial resolution (minimum spot size at the exit is approximately 60 ⁇ m).
  • the diameter of the MCP and screen is chosen to be 40 mm (this is the largest standard diameter available) in such a way that the entire spectrum is mapped on it.
  • the spectral lines appear on the surface of the phosphor screen as thin lines that can be seen with the naked eye (images of the entrance slit).
  • the spatial resolution of the MCP essentially also determines the optimal width for the entrance slit, up to which the incident light quantity (and thus the efficiency of the overall system) can be increased without a noticeable additional deterioration in the wavelength resolution occurring.
  • a width of 50 ⁇ m is therefore preferably chosen.
  • the gap height is increased according to the invention. This requires (because of the 1: 1 image in the spectrometer) a camera head for recording the spectra, the sensor of which has the greatest possible height.
  • a camera head / detector For the recording of the spectra in the output plane of the MCP detector (phosphor screen), a camera head / detector is preferred which detects the entire spectrum (large sensor wide) and as much light as possible (high sensor height, perpendicular to the direction of dispersion of the spectrometer).
  • a camera head / detector For the recording of the spectra in the output plane of the MCP detector (phosphor screen), a camera head / detector is preferred which detects the entire spectrum (large sensor wide) and as much light as possible (high sensor height, perpendicular to the direction of dispersion of the spectrometer).
  • CCDs two-dimensional detectors
  • N-MOS sensor HAMAMATSU type S3904-1024F with fiber optic input window and with supply board type C4069 with a width of 25 mm (1024 pixels each 25 ⁇ m wide) and height of 2.5 mm as well as a specified one Pixel rate of up to 2 MHz.
  • a first-generation image intensifier (“diode”) is included between the fiber-optic cross-section converter and the sensor Intermediate fiber-optic coupling in a further embodiment, which can bring about an additional linear light amplification by a factor 10-15 without significant loss in spatial resolution.
  • a trigger pulse to start a spectrum must be applied to the "aster start” input.
  • 6 trigger pulses per pixel must be present in order to "push out” the charge collected on a pixel.
  • a measurement of 1000 spectra per second therefore requires an additional trigger signal for the spectral rate (1 kHz) and a trigger signal with ⁇ times the pixel rate, which at 1024 Pixels and 1000 spectra per second result in a trigger frequency of just above 6 MHz.
  • a commercially available standard quartz (6.55 MHz) was selected for this task.
  • FIGS 1 and 2 illustrate the basic structure.
  • the following figures illustrate the electronics.
  • the centerpiece is a switched (inverting) integrator, which consists of the fast operational amplifier IC2 (Burr-Brown
  • the integrator is used for level adjustment, impedance conversion and inversion of the analog input signals
  • the integrated measurement signal is then output via the power driver IC4 (Elantec EL 2003) to a BNC output socket (B2), whereby the IC4 module connects a long (here 30 m) BNC line with 50 ohms.
  • the trigger electronics on the integrator board is structured as follows.
  • Elements of the trigger electronics are on the integrator board which are used to switch the integrator at the right time (integrate / delete) and to output a trigger pulse for the data acquisition to be connected.
  • a trigger signal (one pulse per pixel) coming from board C4069 is fed in via socket B4. This input signal is branched to ICs 5 and 6.
  • the pulse for switching the integrator is generated on IC5 (monoflop 74HC221), with the potentiometer P 1 the start time of the erase pulse (set: 550 ns after the peak of the needle pulse) and the potentiometer P2 the duration of the erase pulse (set: 160 ns) continuously can be adjusted.
  • the trigger pulse for the data acquisition_ to be connected is generated on IC 6 (timer module 74HC221), whereby the start time (set: 500 ns) can be set with potentiometer P3 and the pulse length (set: 100 ns) with P4.
  • This trigger pulse is output via driver IC8 to BNC socket B3.
  • the integrated signal is therefore deleted shortly (50 ns) after its measurement, and the integrator is then ready for measurement again in good time (approx. 710 ns after the peak of the previous pulse).
  • the sheet of C4069 allows a master clock of a maximum of 6 * 2 MHz, aller- recently been selected according to the invention, a frequency of 6:55 MHz, the time between two successive pulses ⁇ needle as much as possible to enlarge and the timing for the Simplify operation of the integrator.
  • the two clock frequencies required for the C4069 can be generated using programmable pulse generators.
  • the "master start” and “master clock” pulses are first via the BNC sockets B5 or B8 and fast optocouplers (IC9, IC 10, each OPTOISOl).
  • the "master start” signal is also inverted at IC7 (74S140), both signals are then forwarded via the sockets B6 and B7 to the board C4069. For reasons of space, these optocouplers were accommodated on the integrator board.
  • the power supply is described in more detail below.
  • the integrator board requires highly stabilized DC voltages +5 V, -% V, +15 V, -15 V and +6 V, which are generated on a separate board (inside the camera head).
  • a mechanical housing contains the boards C4069, integrator board and power supply board.
  • the C4069 board is movably mounted and is pressed onto the output of the fiber optic coupler on the MCP detector using a simple spring mechanism when the camera head is attached to the spectrometer in order to achieve good optical contact between the two light guides (input window of the line array / fiber optic coupler) , From the outside, an AC voltage (two 18 volts) is introduced into the housing via an insulated socket.
  • the camera head works with a continuous spectra rate of 1000 per second at a pixel rate of 1.08 MHz and in practical operation reaches a dynamic range of the individual pixel (distance between noise and modulation limit) of 10-11 bit.
  • the design of the individual components discussed above means that the limit of the linearity range of the MCP is reached when the IC OPA655 in the integrator board reaches its saturation (approx. 3 volts). When operating with data acquisition (measuring range 0 ... 5 volts), this corresponds to a usable linearity range of 2000 counts with approximately 1 count noise (i.e. 11 bit usable resolution of the overall system).

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Description

Kamerakopf zur schnellen Au zeichnung von Spektren eines
VÜV-Spektrometers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung der Transportzeit von Verunreinigungsteilchen in einem Plasma, umfassend ein Spektrometer und eine Zeilen-Kamera. Das
Spektrometer weist einen Eingangsspalt auf. Durch den Eingangsspalt fallen die Spektrallinien, die von den Verunreinigungsteilchen ausgesendet werden. -Die Spektrallinien fallen dann auf ein Beugungsgitter. Wellenlängenabhängig wer- den die Spektrallinien unter verschiedenen Winkeln reflektiert. Die aus dem Spektrometer austretenden zerlegten Lichtsignale werden von einer ortsauflösenden Zeilen-Kamera erfasst. Aus der so erhaltenen Messinformation wird die Transportzeit berechnet. Das Spektrometer befindet sich wäh- rend des Betriebes in einer Vakuumatmosphäre.
Zur experimentellen Untersuchung des radialen Transports von Plasmaverunreinigungen in Fusionsplasmen wird u. a. eine kleine Menge einer Plasmaverunreinigung am Plasmarand in das Plasma eingebracht und dann die Zeitentwicklung von Spektrallinien verschiedener Ionisationsstufen gemessen. Bei solchen Experimenten, zum Beispiel beschrieben in „New di- agnostics for physics studies on TEXTOR-94, Review of Scientific Instruments, Vol. 72, Seiten 1046 - 1053, dringen die das Plasma verunreinigenden Teilchen - hier Verunreini¬ gungsteilchen genannt - vom Plasmarand ausgehend in Richtung zum Plasmazentrum in Bereiche zunehmend höherer Elektronentemperatur vor und werden dabei schrittweise zu immer höhe- ren lonisationsstufen durchionisiert. Die Verunreinigungs- teilchen liegen dann in Form von Ionen vor. Gleichzeitig werden diese ionisierten Verunreinigungsteilchen - hier Verunreinigungsionen genannt - durch Elektronenstoß zur Emis- sion charakteristischer Spektrallinien angeregt. Beim Experiment treten die Spektrallinien höherer lonisationsstufen gegenüber den niedrigen lonisationsstufen zeitlich verzögert auf. Diese Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten zweier Spektrallinien verschiedener lonisationsstufen Zi und Z2 ist ein direktes Maß für die Transportzeit, welche die Verunreinigungsteilchen für den radialen Transport zwischen denjenigen radialen Positionen ri und r2 benötigen, an denen die Emissivitäten der betrachteten Spektrallinien lokalisiert sind. Die Genauigkeit der beschriebenen Methode hängt davon ab, dass möglichst viele verschiedene Spektrallinien verschiedener lonisationsstufen gleichzeitig mit gutem Signal/Rauschverhältnis und ausreichender Zeitauflösung beobachtet werden können.
Aus Vorversuchen ergab sich für typische Bedingungen bei einem Fusionsexperiment, dass regelmäßig eine Zeitauflösung von 1 ms erforderlich ist, um die Zeitverzögerungen zwischen Spektrallinien verschiedener lonisationsstufen messtechnisch ausreichend auflösen zu können. Die Messung sollte kontinu- ierlich über die gesamte Entladungsdauer eines typischen Plasmas (6-10 Sekunden) erfolgen können, um alle physikalisch interessanten Vorgänge während der Entladung erfassen zu können.
Die Unterscheidung zwischen Spektrallinien und Untergrund sowie die Trennung verschiedener Spektrallinien ist regelmä¬ ßig nur bei Verwendung geeigneter Spektrometer mit ausreichender Wellenlängenauflösung zu erreichen. Die Anwendbar- keit der Methode auf möglichst viele verschiedene relevante Plasmaverunreinigungen legt schließlich den zu beobachtenden Wellenlängenbereich im VUV (Vakuum-Ultraviolett, ca. 10 nm - 100 n ) fest, da dort die für Fusionsexperimente relevanten Verunreinigungen zahlreiche ihrer stärksten Spektrallinien aufweisen.
Die Anforderungen an die Messtechnik und zwar insbesondere an das eingesetzte Spektrometer für die geplanten Untersu- chungen lassen sich also wie folgt zusammenfassen:
a) Ein breiter Wellenlängenbereich im VUV (10-100 nm) sollte vom Spektrometer verarbeitet werden können. b) Das Spektrometer sollte mit einer hohen Zeitauflösung messen können und zwar insbesondere mindestens 1000 vollständige Spektren pro Sekunde . c) Die Effizienz des Spektrometers sollte hoch sein, da das Signal/Rauschverhältnis auch von der Photo- nenstatistik abhängt. d) Das Spektrometer sollte über eine ausreichende Wellenlängenauflösung (Linientrennung) verfügen. e) Das Spektrometer sollte einen großen Dynamikbereich aufweisen, da die Intensitäten der verschiedenen Spektrallinien sehr unterschiedlich sind.
Als nächstliegender Stand der Technik, der die genannten Anforderungen derzeit am besten zu erfüllen vermag, wurde das Spektrometerkonzept „SPRED" (Survey Poor Resolution Extended Domain) aufgefunden, das in Arbeiten von Fonck et al., Appl. Optics Vol. 21, Seite 2115ff (1982) sowie Stratton et al . , Reviews of Scientific Instruments Vol. 57, Seite 2043ff (1986) dargestellt ist. Das Spektrometerkonzept kann wie folgt kurz zusammengefasst werden: Herzstück des Spektrometers ist ein Beugungsgitter von Jobin-Yvon mit folgenden Eigenschaften:
I. Streifender Lichteinfall unter etwa 70 Grad zur Gitternormalen, um so eine ausreichende Reflektivität der Gitterbeschichtung im Bereich unterhalb von 50 nm zu erzielen.
II. Toroidales Gittersubstrat zur Reduktion der geometrischen Lichtverluste durch Astigmatismus. Die Effizienz wird hier- durch erhöht.
III. Die Gitterstriche werden durch Ipnenätzen oder hologra- fisch hergestellt. Dadurch wird eine hohe Effizienz in der ersten BeugungsOrdnung bei weitgehender Unterdrückung der höheren Beugungsordnungen erreicht . Ferner wird eine Reduk- tion der Abbildungsfehler bewirkt sowie ein scharfes Spektrum in einer Ebene der Breite 40 mm erzielt.
IV. Die Gitteroberfläche wird zur Erhöhung der Effizienz im Wellenlängenbereich unterhalb 30 nm mit Gold beschichtet.
V. Die beiden Armlängen des Spektrometers (hierunter ist der Abstand Eintrittsspalt-Gitter bzw. Gitter-Detektor zu verstehen) sind mit jeweils etwa 30 cm so gewählt, dass sich für die herstellbaren Gittergrößen und Strichdichten ein Instrument mit großem Wellenlängenbereich bei ausreichender Wellenlängenauflösung und großer Öffnung (f/30) und somit hoher Effizienz ergibt.
Das Beugungsgitter erzeugt in der Ausgangsebene des Spektrometers Bilder des Eintrittsspalts in einem Abbildungsmaßstab von etwa 1:1. Zur Konversion der VUV-Photonen in sichtbares Licht bei gleichzeitiger Verstärkung der Signale wird in der Ausgangsebene des Spektrometers ein offener MCP-Detektor („Multi- Channel-Plate") verwendet. Das gesamte Spektrometer wird im Vakuum betrieben, da die Strahlung in dem Wellenlängenbereich 10-100 nm von allen Gasen bzw. allen Materialien absorbiert wird. Der Betrieb der offenen MCP-Detektoren erfordert zudem einen Druck unterhalb von 10~6 mbar, sodass für das Spektrometer insgesamt ein UHV- Aufbau notwendig ist (UHV: Ultrahochvakuum) .
Die gemäß a) bis e) gewünschten technischen Anforderungen machen es erforderlich, die aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Vorrichtungen in einigen Punkten gezielt zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der genauer als bisher der Transport von Verunreinigungen in einem Plasma gemessen werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Spektrometer, Mittel zur ortsauflösende Umwandlung von- aus dem Spektrometer austretenden Licht in Ladung, eine Integratorschaltung zur ortsauflösenden Integrierung der Ladung, sowie Mittel zur Dar- Stellung der ortsabhängig integrierten Ladung. Die Integratorschaltung ist aus diskreten Bauelementen aufgebaut.
Der Erfinder hat erkannt, dass zur Lösung der gestellten Aufgabe die Integratorschaltung im Vergleich zum Stand der Tech¬ nik abzuändern ist. Insbesondere hat der Erfinder erkannt, dass der bisherige Weg, nämlich integrierte Schaltkreise ein- zusetzen, verlassen werden muss und- die Aufgabe nur gelöst werden kann, indem die Integratorschaltung aus diskreten Bauelementen aufgebaut wird. Diskrete Bauelemente, die zur Realisierung geeignet sind, gehen aus dem Ausführungsbeispiel her- vor.
Ein großer Dynamikbereich bei hoher Zeitauflösung führt (wegen der vorgegebenen Werte für Rauschlevel und „full-well-capa- city" des nachzuschaltenden Kamerakopfes) zu hohen Gesamtintensitäten der ausgangsseitigen, verstärkten Spektren, für die dann beispielsweise ein offener MCP-Detektor entsprechend auszulegen ist. Mit einer einstufigen Standard-MCP (einem Längen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle von 40:1) wird nur eine Stromverstärkung von maximal etwa 3000 erreicht. Eine solche Verstärkung ist regelmäßig unzureichend. Eine mehrstu- fige Standard-MCP führt regelmäßig zu einer zu starken räumlichen Verbreiterung (Verschlechterung der Ortsauflösung und damit der Wellenlängenauflösung des Gesamtsystems) . Daher wird die MCP als EDR-MCP („Extended dynamic ränge", d.h. ein um einen Faktor 10 erweiterter Dynamikbereich) mit einem Län- gen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle von insbesondere
60: 1 (d.h. Faktor 30 höhere Gesamtverstärkung) ausgelegt. Wesentlich ist bei dieser Ausgestaltung, daß das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle derart eingestellt wird, dass die Gesamtverstärkung wesentlich größer im Ver- gleich zur genannten unzureichenden Verstärkung ist.
Zur Erhöhung der Effizienz (Quantenausbeute) wird die MCP- Oberflache bevorzugt mit CsJ beschichtet.
Für den nachgeschalteten Phosphor-Screen zur Konversion des Elektronenpulses in sichtbares Licht wird insbesondere ein spezieller sehr schneller Phosphor (Typ P46) gewählt, dessen Nachleuchtdauer/ Abklingzeit (einige 10 μs) deutlich unterhalb der angestrebten Zeitauflösung des Gesamtsystems liegt und der zusätzlich eine hohe Lichtausbeute in dem Wellenlängenbereich aufweist, in welchem der nachgeschaltete Kamerakopf seine höchste Effizienz aufweist (ca. 500-700 nm) . Mit dieser Ausle- gung kann insgesamt eine hohe Verstärkung der MCP von bis zu 105 bei hoher Effizienz, hoher Zeitauflösung und akzeptabler Ortsauflösung (minimale Fleckgröße am Ausgang beträgt ca. 60 um) erreicht.
Der Durchmesser von MCP und Screen ist in einer Ausgestaltung der Erfindung mit 40 mm (das ist der größte erhältliche Stan- darddurchmesser) so gewählt, dass das gesamte Spektrum darauf abgebildet wird. Die Spektrallinien erscheinen auf der Oberfläche des Phosphor-Screens als dünne Striche, die mit bloßem Auge erkennbar sind (Bilder des Eintrittsspaltes) .
Die Ortsauflösung der MCP legt nun im wesentlichen auch die optimale Breite für den Eintrittsspalt fest, bis zu der die einfallende Lichtmenge (und damit die Effizienz des Gesamtsystems) gesteigert werden kann, ohne dass eine merkliche zusätzliche Verschlechterung der Wellenlängenauflösung eintritt. Bevorzugt wird daher eine Breite von 50 um gewählt.
Wird eine weitere Steigerung der einfallenden Lichtmenge ohne Verlust an Auflösung gewünscht, so wird erfindungsgemäß die Spalthöhe vergrößert. Dies erfordert (wegen der 1:1 Abbildung im Spektrometer) einen Kamerakopf zur Aufzeichnung der Spekt- ren, dessen Sensor eine möglichst große Höhe aufweist.
Auslegungsdaten zu Geometrie und Ankopplung des Kamerakopfes.
Für die Aufzeichnung der Spektren in der Ausgangsebene des MCP-Detektors (Phosphor-Screen) wird ein Kamerakopf/Detektor bevorzugt, der das gesamte Spektrum erfasst (große Sensor- breite) und möglichst viel Licht einsammelt (große Sensorhöhe, senkrecht zur Dispersionsrichtung des Spektrometers) . Kommerziell erhältliche Komplettsysteme mit den geforderten Werten von Abmessungen und Zeitauflösung sind nicht erhältlich. Ins- besondere gibt es keine standardmäßig erhältlichen zweidimen- sionalen Detektoren (z.B. CCDs) mit den geforderten Abmessungen, welche eine Gesamtauslesung mit einer Bildrate von 1000/s kontinuierlich ermöglichen. Es gibt jedoch einen eindimensionalen Sensor (N-MOS Sensor HAMAMATSU Typ S3904-1024F mit fi- beroptischen Eingangsfenster und mit Versorgungsplatine Typ C4069) mit einer Breite von 25 mm (1024 Pixel zu je 25 um Breite) und Höhe von 2.5 mm sowie einer spezifizierten Pixelrate von bis zu 2 MHz.
Zwischen dem (Phosphor-) Screen (Breite z.B. 40 mm) und dem
Sensor wird in einer Ausführungsfor 'bevorzugt ein fiberopti- scher_Querschnittswandler (mit einem Verhältnis von zum Beispiel 40/25) eingebaut, der das Bild (Spektrum) im Beispielsfall verkleinert. Es gelingt so eine Anpassung an die geo- metrischen Abmessungen des Sensors . Diese fiberoptische Abbildung ist im Vergleich zu einer Abbildung mittels Linsen wesentlich lichtstärker und daher für diese Anwendung vorzuziehen.
Da die erlaubte Ausgangsintensität des offenen MCP-Detektors bei Aussteuerung bis an dessen Linearitätsgrenze regelmäßig nicht ausreicht, um den Sensor S3904 (füll capacity 25 pC) hinreichend auszusteuern, wird zwischen fiberoptischem Querschnittswandler und Sensor ein Bildverstärker erster Genera- tion („Diode") mit fiberoptischen Ankopplung in einer weiteren Ausgestaltung zwischengeschaltet, der ohne wesentliche Einbußen in der Ortsauflösung eine zusätzliche lineare Lichtverstärkung um einen Faktor 10-15 zu bewirken vermag. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Kamerakopfes beschrieben.
Der Betrieb des eingesetzten Zeilenarrays S3904-F mit der zugehörigen Platine C4069 von Hamamatsu erfordert zwei Sorten von Triggersignalen, welche von außen zugeführt werden müssen: Am Eingang „ aster start" muss ein Triggerpuls zum Start eines Spektrums angelegt werden. Am Eingang „master clock" müssen 6 Triggerpulse pro Pixel anliegen, um die auf einem Pixeln aufgesammelte Ladung „herauszuschieben". Eine Messung von 1000 Spektren pro Sekunde erfordert also eine neben dem Triggersignal für die Spektrenrate (1 kHz) zusätzlich ein Triggersignal mit dem βfachen der Pixelrate, was bei 1024 Pixel sowie 1000 Spektren pro Sekunde eine Triggerfrequenz von knapp oberhalb von 6 MHz ergibt. Für diese Aufgabe wurde ein kommerziell erhältlicher Standard-Quartz (6.55 MHz) ausgewählt. Der unter oben zuvor beschriebene Aufbau erlaubt es bereits, bei Anlegen solcher geeigneter Triggerpulse an die Platine C4069 primitive Spektren z.B. an einem Oszilloskop zu beobachten (Signalausgang „data video" bzw. „video out") . Allerdings ist die Signalform von „video out" durch eine Kette von zeitlich kurzen, im folgenden so bezeichneten „Nadelpulsen" (zeitliche Halbwertsbreite ca. 100 ns) , gegeben, die messtechnisch nur schwierig erfasst werden können. Das -eigentlich zu messende physikalische Rohsignal ist die auf einem Pixel des Zeilenarrays seit der letzten Messung (voriges Spektrum) aufgesammelte Ladungsmenge. Diese Ladungsmenge ist zu der Fläche unter den Nadelpulsen am Signalausgang „video out" proportional. Die messtechnisch korrekte Erfassung dieser Signale setzt somit voraus, die Nadelpulse zeitlich zu integrieren, um ein zu deren Fläche proportionales Signal zu gewinnen. Nach der Messung des integrierten Signals muss dieses dann gelöscht werden, um die Schaltung vor dem nächsten zu messenden Nadelpuls zurückzusetzen (geschalteter Integrator) . Da die Nadelpulse kurz sind und das Analogsignal zwischen zwei Nadelpulsen der Spannung Null entspricht, kann auf einen weiteren Analog-Schalter vor dem Eingang des Integrators verzichtet werden.
Figuren 1 und 2 verdeutlichen den grundsät zlichen Aufbau . Die nachfolgenden Figuren verdeutlichen die Elektronik .
Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Analogteil der Integratorschaltung näher beschrieben .
Kommerziell erhältlich sind ICs mit geschalteten Integratoren (z.B. Burr-Brown IVC 102), die bei einer Zeitkonstante („Settling time") von 6 μs maximal die Integration von 105 Pulsen pro Sekunde erlauben, das ist für die erfindungsgemäße An- Wendung eine Größenordnung zu langsam. Daher wird erfindungs- gemäß für diese Aufgabe eine Schaltung aus diskreten Bauteilen bereitgestellt, die aus den Figuren zu entnehmen ist.
Herzstück ist ein geschalteter (invertierender) Integrator, der aus dem schnellen Operationsverstärker IC2 (Burr-Brown
OPA655, 400 MHz) , einem Widerstand R3 (300) und einem Kondensator C9 (162 pF) besteht, wobei dem Kondensator C9 zur Löschung ein schneller Schalter IC3 (Siliconix DG 612) parallel geschaltet ist. Dem Integrator ist zur Pegelanpassung, Impe- danzwandlung und Invertierung der analogen EingangsSignale
(das sind die Nadelpulse aus der Platine C4069, angeschlossen an Buchse Bl) ein invertierender_Verstärker ICl (ebenfalls OPA 655) vorgeschaltet. Bei offenem Schalter integriert der Integrator die anliegende EingangsSpannung gemäß
öaus = - ( 1 /RC) / Ueindt + UC Die Wahl von R3 und C9 führt zu einer Zeitkonstante RC » 50 ns, die etwas kleiner als die Halbwertsbreite der Nadelpulse gewählt ist, um bereits kurze Zeit nach dem Peak des Nadelpulses ein praktisch zeitlich konstantes Ausgangssignal vorliegen zu haben. Sie darf jedoch nicht zu klein gewählt werden, um ein Übersteuern des Operationsverstärkers im Integrator zu vermeiden.
Die Löschung der integrierten Spannung (Rücksetzung des Kondensators auf den Anfangswert U0 = 0) erfolgt durch Schließen des Schalters IC3. Im Stromkreis zwischen Kondensator und Schalter liegen die Widerstände R5 und R6 (jeweils 44 Ohm) , die zusammen mit dem Innenwiderstand des Schalters (45 Ohm) dafür sorgen, dass beim Löschen des Kondensators der erlaubte Maximalstrom im Schalter IC3 (Imax = 30 iπA) nicht überschritten wird: Für den Integrator-OP gilt Umax = 3.5 Volt, mit Rgesamt = (2*44+45) Ohm ist 1^ = 26 mA. Andererseits gilt für die Zeitkonstante des Integratorkreises RC = 21 ns, sodass eine weit- gehende Entleerung des Kondensators auf eine Spannung unterhalb 0.1 % des Anfangswertes innerhalb von ca. 160 ns erreicht wird, d.h. der nächste Messwert ist vom Wert seines Vorgängers unabhängig. Das integrierte Mess-Signal wird schließlich über den Leistungstreiber IC4 (Elantec EL 2003) an eine BNC-Aus- gangsbuchse (B2) ausgegeben, wobei der Baustein IC4 den An- schluss einer langen (hier 30 m) BNC-Leitung mit 50 Ohm-Ab- schluss ermöglicht.
Die Triggerelektronik auf der Integratorplatine ist wie folgt aufgebaut.
Auf der Integratorplatine sind Elemente der Triggerelektronik untergebracht, die zum zeitrichtigen Schalten des Integrators (integrieren/löschen) sowie für die Ausgabe eines Triggerpulses für_die anzuschließende Datenerfassung dienen. Von Platine C4069 kommend wird ein Triggersignal (ein Puls pro Pixel) über Buchse B4 eingespeist. Dieses Eingangssignal wird an die ICs 5 und 6 verzweigt. An IC5 (Monoflop 74HC221) wird der Puls zum Schalten des Integrators erzeugt, wobei mit dem Potentiometer P 1 der StartZeitpunkt des_Löschpulses (eingestellt: 550 ns nach dem Peak des Nadelpulses) sowie mit Potentiometer P2 die Dauer des Löschpulses (eingestellt: 160 ns) stufenlos eingestellt werden kann. An IC 6 (Timerbaustein 74HC221) wird der Triggerpuls für die anzuschließende Datenerfassung_erzeugt, wobei mit Potentiometer P3 dessen StartZeitpunkt (eingestellt: 500 ns) und mit P4 die Pulslänge (eingestellt: 100 ns) eingestellt werden können. Dieser Triggerpuls wird über den Treiber IC8 an die BNC-Buchse B3 ausgegeben. Die Löschung des integrierten Signals erfolgt also kurz (50 ns) nach dessen Messung, und der Integrator ist dann rechtzeitig (ca. 710 ns nach dem Peak des vorherigen Pulses) wieder messbereit.
Die externe Triggerung wird nun erläutert.
Die Messung von genau 1000 vollständigen Spektren pro Sekunde erfordert das Zuführen eines Triggersignals für die Spektrenrate („master start", 1 kHz) sowie zusätzlich ein weiteres Triggersignal („master clock") bestehend aus genau 6*1024
Pulsen, die innerhalb einer Periode von weniger als 1 ms anliegen müssen (sonst überlappen die auszulesenden Pixel bereits mit dem zeitlich nächsten Spektrum) . Das Datenblatt zu C4069 erlaubt eine master clock von maximal 6*2 MHz, aller- dings wurde erfindungsgemäß eine Frequenz von 6.55 MHz gewählt, um die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nadel¬ pulsen soweit wie möglich zu vergrößern und das Timing für den Betrieb des Integrators zu vereinfachen. Die beiden für die C4069 benötigten Clockfrequenzen können mittels programmierbaren Pulsgeneratoren erzeugt werden.
Um eine galvanische Potentialtrennung zwischen den Pulsgeneratoren und dem Kamerakopf zu gewährleisten (dies ist nötig zur Vermeidung von „Erdschleifen", die zu Störungen am Messsignal führen könnten) , werden die Pulse „master start" und „master clock" zunächst über die BNC-Buchsen B5 bzw B8 und schnelle Optokoppler (IC9,IC 10, jeweils OPTOISOl) geführt. Das „master start" Signal wird ferner an IC7 (74S140) invertiert, beide Signale werden dann über die Buchsen B6 bzw. B7 an die Platine C4069 weitergeleitet. Diese Optokoppler wurden aus Platzgründen auf der Integratorplatine untergebracht.
Nachfolgend wird die Spannungsversorgung näher beschrieben.
Die Integratorplatine benötigt zum Betrieb hochstabilisierte DC-Spannungen +5 V, -% V, +15 V, -15 V und +6 V, die auf einer separaten Platine (innerhalb des Kamerakopfes) erzeugt werden.
Ein mechanisches Gehäuse enthält die Platinen C4069, Integratorplatine und Spannungsversorgungsplatine. Die Platine C4069 ist beweglich montiert und wird bei Montage des Kamerakopfes an das Spektrometer mittels einer einfachen Federmechnik an den Ausgang des fiberoptischen Kopplers am MCP-Detektor angedrückt, um einen guten optischen Kontakt zwischen den beiden Lichtleitern (Eingangsfenster des Zeilenarrays / fiberoptischer Koppler) zu erreichen. Von aussen wird eine Wechselspannung (zweimal 18 Volt) über eine isolierte Steckbuchse in das Gehäuse eingeführt. Ferner gibt es isolierte BNC-Buchsen für die Triggereingänge (master start und master clock) , den Triggerausgang und das integrierte Analogsignal. Maßnahmen zur Abschirmung elektrischer und magnetischer Störungen sind wie folgt vorgesehen.
Beim Betrieb des Kamerakopfes am Plasmaexperiment TEXTOR ist mit dem Auftreten erheblicher elektromagnetischer Störungen, gegen die der Kamarakopf abgeschirmt werden muss. Zur Abschirmung des Kamerakopfes gegen diese Störungen wurden folgende Maßnahmen ergriffen: Metallgehäuse (Aluminium) des Kamerakopfes zur Abschirmung elektromagnetischer Felder. Ein weiteres umge- bendes Metallgehäuse (Weicheisen) zur Abschirmung gegen magnetische Felder. Alle BNC-Kabelverbindungen zwischen Kamerakopf und Datenerfassung/Triggerung werden als 30 m langer Kabelstrang in einem gemeinsamen Kupferrohr ausgeführt. Die Signalmasse für den Kamerakopf wird von einer Erdschiene am Datener- fassungs-PC abgeschirmt zum Kamerakopf geführt. Alle anderen Anschlüsse des Kamerakopfes erfolgen erdfrei bzw. isoliert. Mit diesen Maßnahmen wird insgesamt erreicht, dass die Analogsignale des Kamerakopfes mit einem Rauschlevel von weniger als 1 mV gemessen werden können, während -gleichzeitig die Position der Spektren auf dem Zeilenarray (Zuordnung zwischen Pixelnummer und Wellenlänge) stabil bleibt.
Zur Aufzeichnung der Spektren wird kommerzieller Windows-95 PC mit einer Datenerfassungskarte des Typs T112-4 (Fa. Imtec, 71522 Backnang) und Datenerfassungssqftware INSIGHT (Imtec) verwendet. Das System kann die Analogdaten von bis zu 4 Kanälen simultan bei externer Triggerung (hier: ca. 1 .08 MHz) kontinuierlich mit 12 bit Auflösung aufzeichnen und im RAM des PC Zwischenspeichern. Bei einer Größe des RAM von 256 MB werden an TEXTOR die Daten von 3 angeschlossenen Kameraköpfen konti- nuierlich über 10 Sekunden Gesamtmessdauer aufgezeichnet. Die Analogbandbreite der Karte von 500 kHz führt dazu, dass die digitalisierten Messwerte einen zeitlichen Mittelwert über das Analogsignal des Kamerakopfes erfassen, wobei die Mittelungs- dauer ungefähr -350 ns beträgt. Diese Zeit entspricht ungefähr der zeitlichen Dauer, während der das integrierte Analogsignal des Kamerakopfes zwischen dem Ende des Nadelpulses und dem Start des Löschpulses einen zeitlich konstanten Wert annimmt. Die verwendete Datenerfassung entspricht dem Stand der Technik und ist daher nicht Gegenstand dieses Patentantrages.
Der Kamerakopf arbeitet insgesamt mit einer kontinuierlichen Spektrenrate von 1000 pro Sekunde bei einer Pixelrate von 1.08 MHz und erreicht im praktischen Betrieb einen Dynamikbereich des einzelnen Pixels (Abstand zwischen Rauschen und Aussteuerungsgrenze) von 10-11 bit. Die oben diskutierte Auslegung der Einzelkomponenten führt dazu, dass die Grenze des Linearitäts- bereiches des MCP gerade dann erreicht wird, wenn der IC OPA655 in der Integratorplatine seine Sättigung (ca. 3 Volt) erreicht. Beim Betrieb mit der Datenerfassung (Messbereich 0...5 Volt) entspricht das einem nutzbaren Linearitätsbereich von 2000 counts bei etwa 1 count Rauschen (d.h. 11 bit nutzbare Auflösung des Gesamtsystems) .
Bezugszeichen liste
1 Beugungsgitter 1 0 Integratorplatine
2 Eingαngsspαlt 1 1 DC-Versorgung
3 Fo αlebene 1 2 Integratorplatine
4 MCP 1 3 Erweiterungsplatine
5 Screen 1 4 Invertierer
6 Fiberoptischer Koppler 1 5 Pulsformer
7 Bildverstärker 1 6 Leitungstreiber
8 S 3904 - F 1 7 Analogschalter
9 C 4009 18 Opto-Koppler

Claims

Kamerakopf zur schnellen Aufzeichnung von Spektren einesVUV- Spektrome ersPatentansprüche
1. Vorrichtung umfassend
- ein Spektrometer,
- Mittel zur ortsauflösenden Umwandlung von aus dem Spektrometer austretendem Licht in Ladung, - eine Integratorschaltung zur ortsauflösenden
Integrierung der Ladung,
- Mittel zur Darstellung der ortsabhängig integrierten Ladung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Integratorschaltung aus diskreten Bauelementen aufgebaut ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen Detektor und zwar insbesondere einen MCP-Detektor, mit einer Detektoroberfläche, die mit CsJ beschichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Phosphor-Screen zur Konversion eines Elektronenpulses in sichtbares Licht, mit einer Nachleuchtdauer bzw.
Abklingzeit von bis zu 100 μs, bevorzugt von bis zu 30 μs .
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Phosphor-Screen und einem Sensor, zwischen denen ein fiberoptischer Querschnittswandler eingebaut ist.
5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend eine Diode, die zwischen dem fiberoptischen
Querschnittswandler und dem Sensor vorgesehen ist.
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